Замысловатая сеть крошечных щелей украшает поверхность кожи африканского кустарникового слона. Удерживая воду и грязь, эти микрометровые каналы очень помогают слонам регулировать температуру тела и защищать кожу от паразитов и интенсивного солнечного излучения. Сегодня исследователи из Женевского университета (UNIGE), Швейцария, и Швейцарского института биоинформатики SIB сообщают в журнале Nature Communications, что каналы кожи африканского слона представляют собой настоящие трещины в хрупком и лишенном шелушения внешнем слое кожи животных. Ученые показывают, что гиперороговевшая кожа слона нарастает на решетку из миллиметровых возвышений, вызывая ее разрыв из-за локального изгибающего механического напряжения.
Африканские слоны, как известно, любят купаться, обрызгиваться и валяться в грязи. Такое поведение предназначено не только для развлечения. Действительно, у африканских слонов отсутствуют потовые и кожные железы, которые позволяют многим другим млекопитающим сохранять кожу влажной и эластичной. Кроме того, из-за своего огромного размера тела и теплой и сухой среды обитания африканские слоны могут избежать перегрева, только теряя калории за счет испарения воды, которую они собирают на своей коже и на ней. Покрывая себя грязью, африканские слоны также избегают нападений беспощадных паразитов и чрезмерного воздействия на кожу солнечного излучения. Очень внимательное изучение кожи африканского слона показывает, что, помимо характерных хорошо заметных складок, кожный покров покрыт сложной сетью крошечных взаимосвязанных щелей. Этот красивый тонкий узор из миллионов каналов предотвращает осыпание нанесенной грязи и позволяет распределять и удерживать в 5-10 раз больше воды, чем на плоской поверхности.
Взлом кожи
Благодаря образцам кожи, предоставленным учеными и музеями Швейцарии, Франции и Южной Африки, междисциплинарной команде под руководством Мишеля Милинковича, профессора кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук UNIGE и руководителя группы SIB Швейцарский институт биоинформатики сегодня показывает, что каналы кожи африканского слона представляют собой настоящие трещины из-за локального напряжения изгиба, вызванного одновременно гиперкератинизированным эпидермисом, дефицитом линьки и ростом на решетке миллиметровых возвышений кожи. Используя пользовательскую компьютерную модель, Антонио Мартинс, аспирант лаборатории Милинковича, показал, что комбинации этих трех параметров достаточно, чтобы вызвать накопление механического напряжения изгиба между возвышениями кожи во время прогрессирующего утолщения кожи до образования трещин.
Изгиб, а не растрескивание при растяжении
Визуальный аспект узора трещин на коже африканского слона имеет поразительное сходство, хотя и в очень разных пространственных масштабах, с трещинами, вызванными напряжением растяжения в высыхающей грязи, в поврежденном асфальте, на Земле и Марсе. полярные ландшафты, а также впечатляющие геологические образования, такие как базальтовые колонны Дороги гигантов в Северной Ирландии и Дьявольского столба в восточной Калифорнии. Поэтому было заманчиво предположить, что трещины на коже африканского слона образуются в результате усадки кожи. Тем не менее, компьютерное моделирование, проведенное швейцарской командой, показывает, что усадка создает неоднородное распределение трещин, которые распространяются по сосочкам, тогда как трещины на реальной коже возникают почти исключительно вдоль впадин, отвергая гипотезу «растрескивания при усадке». С другой стороны, когда исследователи реализовали в своих компьютерных симуляциях утолщение кожи (постоянно добавляются новые слои в основании эпидермиса), в ложбинах накапливались механические изгибающие напряжения, вызывающие растрескивание ороговевшего эпидермиса только в микропорах. долины, усиливая новые результаты «растрескивания при изгибе».
Физические процессы в биологии
Одним из направлений биологии развития является описание того, как формы и формы генерируются в результате дифференцировки и роста гетерогенных тканей, контролируемых дифференциальной экспрессией генов в организме. Однако сложная морфология также может проявляться в виде механической нестабильности (складки, морщины), вызванной несогласованным ростом между сросшимися слоями ткани. Известными примерами являются петлеобразование кишечника и складчатость коры головного мозга. В то время как растрескивание, еще один тип механической нестабильности, является обычным явлением в неживых материалах, в биологических системах оно встречается гораздо реже. Лаборатория Милинковича показала несколько лет назад, что рисунок чешуи головы крокодила формируется за счет складок кожи, и что динамика их распространения и формирования многоугольного рисунка аналогична динамике растрескивания в высыхающей грязи. Здесь швейцарская команда впервые показывает, что кожа африканского слона имеет множество каналов, которые не только выглядят как трещины, но и являются настоящими физическими трещинами в его ороговевшем эпидермисе.
Слоны помогают понять патологию человека
Утолщение ороговевшего эпидермиса африканского слона происходит из-за дисбаланса между его образованием у основания и отслоением на поверхности кожи. Поразительно, но швейцарская команда обнаружила сильное сходство между нормальной морфологией кожи африканских слонов и морфологией кожи людей, пораженных «вульгарным ихтиозом», распространенным генетическим заболеванием (им страдает примерно 1 из 250 человек), которое, как известно, влияет на шелушение (отслоение кожи).) и вызывают сухость, шелушение кожи. Если эта эквивалентность будет подтверждена будущими подробными сравнениями молекулярной и клеточной биологии, то это сделает замечательную связь между патологическим состоянием человека и кожей легендарного вида толстокожих. «Это соответствие также продемонстрировало бы, что сходные мутации, независимо возникшие в эволюционных линиях человека и слона, оказались неблагоприятными у первых и адаптивными у вторых», - говорит Мишель Милинкович.